(57)【要約】【課題】  周辺部位と緊密に接合可能な金属基複合材であって、ピッチ系炭素繊維やカーボンナノチューブなどの熱伝導性に優れた炭素繊維強化金属基複合材、及び当該金属基複合材とその周辺部位とが緊密に接合されてなる金属基複合構造体を提供する。【解決手段】  表面の少なくとも一部が他の部材と緊密に接合される金属基複合材であって、前記金属基複合材が、炭素繊維が一軸配向された状態で含有する単体金属または合金であり、少なくとも前記他の部材との接触面が、前記他の部材と接合可能な金属で被覆されている、金属基複合材である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の少なくとも一部が他の部材と緊密に接合される金属基複合材であって、
前記金属基複合材は、炭素繊維が一軸配向された状態で含有する単体金属または合金であり、少なくとも前記他の部材との接触面が、前記他の部材と接合可能な金属で被覆されていることを特徴とする、金属基複合材。
【請求項２】
前記炭素繊維が、連続炭素繊維である、請求項１に記載の金属基複合材。
【請求項３】
前記連続炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維である、請求項２に記載の金属基複合材。
【請求項４】
前記連続炭素繊維の含有率が、２０〜７０体積％である、請求項２または３に記載の金属基複合材。
【請求項５】
前記炭素繊維が、ピッチ系短炭素繊維またはカーボンナノチューブである、請求項１に記載の金属基複合材。
【請求項６】
前記ピッチ系短繊維またはカーボンナノチューブの含有率が、１〜３０体積％である、請求項５に記載の金属基複合材。
【請求項７】
前記金属基複合材に被覆される金属が、低温溶射法により被覆される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属基複合材。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の金属基複合材と、前記金属基複合材と緊密に接合される他の部材とからなる、金属基複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属マトリックス中に炭素繊維を配向させた金属基複合材、及び金属基複合材と他の部材とが緊密に接合されてなる金属基複合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン又は炭素繊維は、従来から広く知られている酸化物や炭化物などの強化材に比べ、機械的性質のみならず電気的性質や熱的性質にも優れていることが知られている。
【０００３】
上記の理由等により、これらを強化材とする複合材は、自動車部品を始めとする広い分野での応用が期待されている。特に、マトリックスを金属とした複合材、すなわち金属基複合材は、樹脂系の複合材に比べ、耐熱性、耐摩耗性あるいは熱膨張特性に優れていることから、自動車部品としての応用が期待できる。また、近年においては、エンジン部品は使用環境が苛酷であるため、軽量かつ高強度だけでなく、伝熱性や低熱膨張性が厳しく要求されるようになってきている。
【０００４】
ところで、上記金属基複合材を具体的に部品として応用する場合、部品全体が上記金属基複合材であることはむしろ稀であり、必要な部位のみに必要な特性を付与させた金属基複合材とする方が、材料コストや製造コストの面からも好ましい。
【０００５】
上記の場合、金属基複合材をその周辺部位とを接合することになるが、周辺部位の材質が複合材マトリックスと異種金属である場合には、いわゆる溶接を行うことは容易ではない。
【０００６】
例えば、複合材マトリックスとしてアルミニウムを使用し、周辺部位として鉄系金属を使用する場合、溶融溶接を行おうとすると、脆弱な金属間化合物が生成してしまうため、健全な溶接を行うことは容易ではない。
【非特許文献１】「軽金属溶接」、ｖｏｌ．３４（１９９６）、Ｎｏ．２、ｐ．１５〜１９
【非特許文献２】「溶接・接合便覧」第２版、丸善、ｐ．９９４  また、周辺部位として上記鉄系金属の代わりに銅系金属を用いた場合であっても、上記の脆弱な金属間化合物が生成してしまうという。この問題を解決する手法としては、接着による接合、ボルト締結などの機械的による結合、あるいはろう付けによる接合が考えられる。
【０００７】
しかし、接着による接合の場合、耐熱性や耐久性に限界があり、適用する部品が限られてしまう問題がある。また、機械的による接合の場合、接合界面において電気的および熱的な抵抗が大きくなるため、複合材の高熱伝導性という特徴を十分には生かしきれないおそれがある。更に、ろう付けによる接合は、より現実的な手法であるものの、フラックスやろう材といった副資材費の他に、高い精度を出すための加工工程、ろう付けの設備、あるいは事後のフラックス洗浄工程などに関して、コスト高になってしまうおそれがある。また、複合材中のマトリックスがアルミニウムの場合、ろう付け時の熱影響により炭素繊維が反応して劣化するおそれがある。
【０００８】
一方、周辺部位の材質が複合材マトリックスと同種金属である場合でも、溶融溶接を行うことは容易とは言い難い。金属が溶融することによって、強化材が炭素繊維と反応して劣化したり、炭素繊維の分布が乱れたり、あるいはブローホール等の欠陥が発生することにより、著しく性能を損ねてしまうおそれがある。また、接着による接合、またはボルト締結などの機械的による結合、あるいはろう付けによる接合を用いた場合、上記と同様の問題が生じてしまう。更に、摩擦圧接、摩擦撹拌接合、または拡散接合といった固相接合は、溶融接合に比べ複合材の劣化は小さいものの、接合部の継ぎ手形状に制約があること、特殊な設備が必要であること、または処理時間が長くなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、周辺部位と緊密に接合可能な金属基複合材であって、ピッチ系炭素繊維やカーボンナノチューブなどの熱伝導性に優れた炭素繊維強化金属基複合材、及び当該金属基複合材とその周辺部位とが緊密に接合されてなる金属基複合構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、金属基複合材表面の少なくとも周辺部位との接合面に対し、周辺部位と接合可能な金属で被覆することにより、上記目的が達成することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、表面の少なくとも一部が他の部材と緊密に接合される金属基複合材であって、前記金属基複合材が、炭素繊維が一軸配向された状態で含有する単体金属または合金であり、少なくとも前記他の部材との接触面が、前記他の部材と接合可能な金属で被覆されている、金属基複合材である。
【００１２】
また、本発明は、上記金属基複合材、及び前記金属基複合材と緊密に接合される他の部材とからなる、金属基複合構造体である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の金属基複合材によれば、カーボンナノチューブ、フラーレンまたは炭素繊維などを強化材とする金属基複合材の特性を損なうことなく、その周辺部位と緊密に接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る金属基複合材について詳細に説明する。
【００１５】
まず、本発明の特徴は、表面の少なくとも一部が他の部材と緊密に接合される金属基複合材であって、前記金属基複合材が、炭素繊維が一軸配向された状態で含有する単体金属または合金であり、少なくとも前記他の部材との接触面が、前記他の部材と接合可能な金属で被覆されていることである。
【００１６】
金属基複合材の強化材としては、炭素繊維を用いるのが好ましい。炭素繊維は、高強度であるだけでなく、電気や熱を良く通すという性質があるので、金属基複合材の強化材料としては好ましい。また、金属基複合材としての特徴をより生かすために、炭素繊維は一軸配向させた状態で金属マトリックスに含有させる。
【００１７】
金属基複合材は、他の部材とを緊密に接合させるのが好ましい。金属基複合材が他の部材と緊密に接合されることにより、例えば、応力、熱または電気の抵抗をより小さくして連続的に伝達させることが可能となる。金属基複合材と他の部材とを緊密に接合ためには、溶融接合や固相接合などにより金属的に接合界面が結合される方法を用いればよい。
【００１８】
また、金属基複合材と他の部材とを緊密に接合させるためには、金属基複合材の少なくとも他の部材との接触面が、他の部材と接合可能な金属で被覆されていることが好ましい。ここで、接合可能な金属としては、例えば、他の部材と同一あるいは同種の金属などが挙げられる。しかし、金属基複合材に被覆される金属と他の部材とが、脆弱な化合物を形成しないような組み合わせであれば、厳密に同じ組成であることを要しない。例えば、複合材マトリックスがアルミニウム合金であり、他の部材が低炭素鋼である場合、金属基複合材に被覆するものとしてはステンレス鋼を用いるのが好ましい。また、複合材マトリックスが銅であり、他の部材がアルミニウム合金である場合、金属基複合材に被覆するものとしてはアルミニウムあるいはアルミニウム合金を用いるのが好ましい。
【００１９】
金属基複合材に被覆される金属の厚さは、特に限定されるものではないが、極端に厚さが薄い場合、金属基複合材と他の部材とを接合する際に作業性が良くないため、好ましくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１．０ｍｍ以上である。
【００２０】
金属基複合材中のマトリックス金属としては、軽量で構造用部材に広く適用することができることから、単体金属であるアルミニウムやマグネシウム、または合金であるアルミニウム合金やマグネシウム合金などを用いることができ、これらのうち、取り扱いが容易で鋳造性に優れる点から、アルミニウムあるいはアルミニウム合金を用いることが好ましい。しかし、これら金属に限定される訳ではなく、用途によっては銅合金や、亜鉛合金などを用いることができることは言うまでもない。
【００２１】
金属基複合材中に含有する炭素繊維としては、該金属基複合材に要求される機能や、製造のしやすさのバランスを考えて適宜選択することができるが、高強度や伝熱性が必要とされる場合には、連続炭素繊維を用いるのが好ましい。連続炭素繊維を用いる場合、一軸配向させるメリットとして上記以外に、製造しやすいことが挙げられる。なお、上記の場合、金属基複合材の異方性が大きくなるおそれがあるため、その点を考慮して金属基複合材の設計を行う必要がある。
【００２２】
連続炭素繊維としては、ＰＡＮ系のものよりピッチ系のものを用いること好ましい。ピッチ系のものは、ＰＡＮ系のものに比べ熱伝導性が高いだけでなく、強度や弾性率の選択の幅が広がるからである。
【００２３】
一方、異方性をあまり大きくしたくない場合、あるいは金属基複合材の製造しやすさに問題がある場合には、上記連続炭素繊維よりも短炭素繊維を用いるのが好ましい。この場合にも、上記と同等の理由で、ピッチ系のものを用いることが好ましい。また、熱伝導性の優れるカーボンナノチューブを用いるのも好ましい。
短炭素繊維を用いる場合の他のメリットとして、金属基複合材を粉末冶金法で焼結して製造する場合、焼結と同時に、マトリックス金属を他の金属で被覆できることが挙げられる。その具体的な方法は以下の通りである。まず、マトリックスとなる金造粉末と短炭素繊維を、混合あるいは複合化した状態で被覆される金属で製造された容器に充填及び封入する。次に、高温中で圧延あるいは押し出しをして、容器内部の混合粉あるいは複合粉を焼結させることにより複合材とすると同時に、その複合材を容器と緊密に固相接合させて、被覆層とする。
【００２４】
金属基複合材中の連続炭素繊維の含有率は、２０〜７０体積％であることが好ましい。当該含有率が２０体積％未満である場合には、強化繊維としての効果が小さく、また、当該含有率が７０体積％を超えると、欠陥が生じやすくなり、金属基複合材の性能が低下するおそれがある。
【００２５】
また、金属基複合材中の、ピッチ系短炭素繊維またはカーボンナノチューブの含有率は、１〜３０体積％であることが好ましい。当該含有率が１体積％未満である場合には、強化繊維としての効果が小さく、また、当該含有率が７０体積％を超えると、欠陥が生じやすくなり、金属基複合材の性能が低下するおそれがある。
なお、製造コストが増加するものの、必要により連続炭素繊維と短炭素繊維の両方を金属基複合材に含有させても良い。
【００２６】
金属基複合材に他の部材と接合可能な金属と被覆する方法としては、短時間で熱影響の少なく、かつ、安価なプロセスであることが好ましいので、低温溶射法を採用することができる。蒸着やスパッタリングでは、ミリオーダーの厚さを被覆するには時間がかかりすぎるといった問題がある。アークやレーザーを熱源として肉盛りをすることは、基材である金属基複合材が熱影響により変形することや、ブローホールなどの欠陥を生じやすい。
【００２７】
一方、溶射による被覆方法は、基本的に大気中において短時間で処理が可能である。溶射の中でも、例えば、プラズマ溶射のように高温の溶融粒子を基材に吹き付けて被覆する方法では、基材への熱影響が大きい。よって、低温溶射、具体的には、高速フレーム溶射やコールドスプレーと呼ばれる、粒子の温度が低く、半溶融あるいは未溶融の状態で高速で吹き付けて被覆する方法を採用するのが好ましい。この方法によれば、形成される被覆層は、欠陥が少なく、また、基材との密着度も高いため、熱などの伝達性能に問題は生じにくい。更に、短時間かつチャンバなどの特別な装置を準備することなく、容易にミニオーダーの被覆が可能となる。なお、金属基複合材表面の一部分のみに被覆を行う場合、あらかじめ複合材表面にマスキングを行うと良い。
【００２８】
以上の金属基複合材と、該金属基複合材と他の周辺部材とを緊密に接合することにより、金属基複合材を適用した部品全体に対し、少ない抵抗で熱や応力を伝達することができる。金属基複合材と他の周辺部材とを接合する際、過大な熱が与えられるのは前述の通り好ましくない。よって、例えば、レーザー溶接や電子ビーム溶接のように、エネルギー密度の大きい熱源を使用して高速で溶接するのが好ましい。また、抵抗溶接のように、短時間で接合界面のみを加熱して接合するのも良い。ろう付けを選択するのであれば、例えば、被覆される材料がアルミニウムで、金属基複合材のマトリックスがアルミニウム合金である組み合わせの場合、融点の低い亜鉛系ろう材を使用して、できるだけ短時間で接合するのが好ましい。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
直径が約１０ｍｍのピッチ系連続炭素繊維を５５体積％含有し、マトリックス金属として純アルミニウムを用いた金属基複合材を加圧鋳造法により作製した。続いて、得られた金属基複合材に対し、高速フレーム溶射法によりＳＵＳ４１０を約２ｍｍの厚さになるように被覆した後、１．５ｍｍの厚さに仕上げ、本例の金属基複合材を得た。更に、本例の金属基複合材とＳＳ４００板材を接触させ、該接触部にＹＡＧレーザーを照射して、ＳＵＳ４１０層とＳＳ４００板材表面を溶融溶接した。本例の金属基複合材とＳＳ４００板材との接合構造体は、金属基複合材とＳＳ４００板材との界面及び溶接部ともに欠陥はなく、緊密な連続体となっていた。
【００３１】
（実施例２）
直径が約７５ｍｍの銅粉と直径約９ｍｍのピッチ系ミドル短炭素繊維を、体積比で９５：５となるよう配合し、これをメカニカルに混合して一体化させた。続いて、一体化させた上記混合体を厚さ３ｍｍの純アルミニウム製容器に充填及び封入し、５００℃で押し出しすることにより焼結し、金属基複合材を作製すると同時に、該金属基複合材の表面を純アルミニウムで被覆し、本例の金属基複合材を得た。更に、融点が３８０℃の亜鉛合金ろう材を用いて、本例の金属基複合材とＡＤＣ１２板材とを超音波ろう付けした。本例の金属基複合材とＡＤＣ１２板材との接合構造体は、実施例１の場合と同様、金属基複合材とＡＤＣ１２板材との界面及び溶接部ともに欠陥はなく、緊密な連続体となっていた。
【００３２】
（比較例１）
直径が約１０ｍｍのピッチ系連続炭素繊維を５５体積％含有し、マトリックス金属として純アルミニウムを用いた金属基複合材を加圧鋳造法により作製した。得られた金属基複合材の表面には何も被覆することなく、該金属基複合材をＳＳ４００板材とレーザー溶接した。本例の金属基複合材とＳＳ４００板材との接合構造体は、溶接部において割れ、ブローホール、不整ビートといった欠陥が多く現れ、健全な接合部は得られなかった。
【００３３】
これらの結果から、本発明の金属基複合材は、その周辺部位と健全な接合をすることができ、金属基複合材の特性を十分に生かした金属基複合構造体を提供することができる。